摘  要： 提出了基于GPS授時(shí)的同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)改進(jìn)方法。該方法預(yù)置采集開始時(shí)刻，利用GPS授時(shí)檢測(cè)所產(chǎn)生的觸發(fā)信號(hào)，用于同步各異地分布的數(shù)據(jù)采集裝置。理論分析和仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，上述方法可以達(dá)到微秒級(jí)的時(shí)間同步。
關(guān)鍵詞： GPS授時(shí)；同步控制；FPGA；微秒級(jí)同步

    工程中經(jīng)常需要實(shí)現(xiàn)異地?cái)?shù)據(jù)的同步采集?，F(xiàn)有的該類系統(tǒng)大多采用對(duì)采集的數(shù)據(jù)打“時(shí)間戳”的方法來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的同步性。大量的“數(shù)據(jù)戳”隨數(shù)據(jù)一起存入RAM，占用了RAM的存儲(chǔ)空間，增加了后續(xù)數(shù)據(jù)處理的復(fù)雜度。針對(duì)上述問題，本文提出了一種電平觸發(fā)的同步方法，其要點(diǎn)是利用GPS授時(shí)檢測(cè)預(yù)置的采集開始時(shí)刻的到來，并在該時(shí)刻下一個(gè)秒脈沖的上升沿產(chǎn)生高電平的觸發(fā)信號(hào)，一組異地分布的數(shù)據(jù)采集裝置因而可以同步工作。按照上述方法設(shè)計(jì)了具體系統(tǒng)，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明可以達(dá)到1 ?滋s的同步精度[1]。
1 同步原理與實(shí)現(xiàn)方案
    GPS接收機(jī)輸出的NEMA信息通過串口1送入解碼模塊，并提取GPS狀態(tài)信息和時(shí)間信息分別輸出到與門和數(shù)據(jù)處理模塊。數(shù)據(jù)處理模塊處理輸入的時(shí)間信息，并每隔1 s與串口2輸入的預(yù)設(shè)時(shí)刻信息比較，若兩者完全相同，則在秒脈沖的下一個(gè)上升沿時(shí)刻產(chǎn)生同步信號(hào)。當(dāng)GPS狀態(tài)信息與同步信號(hào)電平都為高時(shí)，產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)觸發(fā)一組異地分布的數(shù)據(jù)采集裝置同步開始工作。
    對(duì)于一組異地分布需要同步采集的數(shù)據(jù)采集裝置，每個(gè)裝置都增加1個(gè)(FPGA)同步裝置，預(yù)置相同的采集開始時(shí)刻。同步裝置根據(jù)GPS授時(shí)信息不斷檢測(cè)該時(shí)刻的到來，并在該時(shí)刻的下一個(gè)秒脈沖上升沿觸發(fā)數(shù)據(jù)采集動(dòng)作，使得異地分布的數(shù)據(jù)采集裝置同步開始工作。
    單個(gè)同步裝置的系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2.1 設(shè)備簡介
2.1.1 GPS接收機(jī)性能簡介
    本系統(tǒng)采用Navysyc CW25接收機(jī)，此接收機(jī)是一款專門的授時(shí)型接收機(jī)。該接收機(jī)具有12個(gè)并行通道，可同時(shí)跟蹤12顆衛(wèi)星，完全校準(zhǔn)到UTC時(shí)間，產(chǎn)生精確度高達(dá)幾十納秒的同步授時(shí)，并且支持RS-232串口通信，通信速率38 400 b/s。
2.1.2 GPS秒脈沖輸出特性簡介
    秒脈沖PPS(Pulse Per Second)[5-6]，是1個(gè)電平信號(hào)，以方波形式輸出，周期為1 s，高電平持續(xù)時(shí)間為100 μs。高電平上升沿為PPS輸出的精確時(shí)刻，其波形如圖2所示。

    接收機(jī)取得有效導(dǎo)航的時(shí)候，脈沖上升沿時(shí)刻與UTC時(shí)刻相差在±30 ns以內(nèi)，RS-232傳輸數(shù)據(jù)中UTC時(shí)刻的輸出較秒脈沖上升沿有一定的延遲，即接收機(jī)先為用戶提供秒脈沖，再提供對(duì)應(yīng)的時(shí)間信息，(FPGA)同步控制模塊對(duì)此(時(shí)間信息的滯后)須進(jìn)行恰當(dāng)處理，以使PPS的上升沿與實(shí)際的時(shí)間信息對(duì)應(yīng)。
2.2 系統(tǒng)硬件總體實(shí)現(xiàn)
    本系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要是利用FPGA設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)同步控制功能。由于FPGA與GPS的串口通信采用標(biāo)準(zhǔn)的RS-232接口，所以利用EDK提供的IP核可以直接實(shí)現(xiàn)。
3 FPGA設(shè)計(jì)
3.1 頂層設(shè)計(jì)
    利用FPGA實(shí)現(xiàn)基于GPS的異地?cái)?shù)據(jù)采集同步控制系統(tǒng)的核心處理單元，采用自頂向下的設(shè)計(jì)方法，用Verilog HDL語言描述，使用Xilinx Spartan-3A FPGA在ISE 10.1中進(jìn)行仿真、綜合和實(shí)現(xiàn)[2-3]。頂層設(shè)計(jì)由解碼模塊、I/O控制模塊和數(shù)據(jù)處理模塊組成。
    工作過程為：串口接收到GPS接收機(jī)發(fā)來的NEMA $POLYT語句，I/O控制模塊檢測(cè)語句開始和結(jié)束標(biāo)志字符，并檢查語句格式的正確性，將正確的語句存入輸入緩存；解碼模塊提取出NEMA信息中的時(shí)間信息和GPS定位信息，時(shí)間信息輸入數(shù)據(jù)處理模塊，GPS定位信息作為“與門”輸入；數(shù)據(jù)處理模塊中，將解碼模塊送來的時(shí)間信息進(jìn)行處理并鎖存，與預(yù)設(shè)的時(shí)間信息比對(duì)，當(dāng)兩者完全相同時(shí)，在下一個(gè)PPS上升沿時(shí)刻產(chǎn)生同步信號(hào)，此同步信號(hào)和GPS定位信息相與生成觸發(fā)信號(hào)，觸發(fā)數(shù)據(jù)采集卡同步開始工作。
3.2 解碼模塊
    解碼模塊的任務(wù)是提取GPS接收機(jī)發(fā)來的NEMA語句中的時(shí)間信息。FPGA的串口接收到GPS接收機(jī)發(fā)來的NEMA $POLYT語句，I/O控制模塊檢測(cè)語句開始和結(jié)束標(biāo)志字符，并檢查語句格式的正確性，將正確的語句存入輸入緩存，再從緩存中提取出時(shí)間信息并鎖存。$POLYT語句格式如下：$POLYT，hhmmss.ss，ddmmyy，UTC_TOW，week，GPS_TOW，Clk_B，Clk_D，PG，cs，每一項(xiàng)以逗號(hào)相隔，其中“hhmmss”項(xiàng)為格林威治時(shí)間的時(shí)、分、秒信息，F(xiàn)PGA控制板通過解讀此報(bào)文信息便可得到與1 PPS信號(hào)對(duì)應(yīng)的時(shí)間信息[3]。解碼模塊工作的程序流程圖如圖3所示。

3.3 數(shù)據(jù)處理模塊
    數(shù)據(jù)處理模塊的作用有兩部分：調(diào)整從緩存提取的時(shí)間信息和產(chǎn)生同步觸發(fā)信號(hào)。
    調(diào)整時(shí)間信息包括2個(gè)方面，(1)GPS接收機(jī)輸出的時(shí)間是GMT時(shí)間，需要轉(zhuǎn)換成當(dāng)前地理位置所在時(shí)區(qū)的時(shí)間。(2)由于GPS接收機(jī)的時(shí)間信息總是在與之對(duì)應(yīng)的秒脈沖上升沿到來后從串口發(fā)出，所以在t時(shí)刻的秒脈沖上升沿到來時(shí)，t時(shí)刻的時(shí)間信息還未被數(shù)據(jù)處理單元接收到。為了實(shí)現(xiàn)秒脈沖和時(shí)間信息的同步輸出，需要將t-1時(shí)刻的時(shí)間信息加1 s作為t時(shí)刻的絕對(duì)時(shí)間。圖4所示顯示了調(diào)整前后的時(shí)間與秒脈沖的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

    將調(diào)整后的時(shí)間信息與預(yù)設(shè)的時(shí)間信息進(jìn)行比較，兩者完全相同。在下一個(gè)PPS脈沖的上升沿對(duì)應(yīng)時(shí)刻產(chǎn)生1個(gè)電平信號(hào)，此信號(hào)和GPS狀態(tài)信息“相與”后輸出信號(hào)即為數(shù)據(jù)采集卡的觸發(fā)信號(hào)。仿真結(jié)果如圖5所示。

    本文提出了一種改進(jìn)的基于GPS的異地?cái)?shù)據(jù)采集的同步方法，并利用FPGA進(jìn)行了具體設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，上述方法和設(shè)計(jì)克服了常用的“時(shí)間戳”方式占用額外存儲(chǔ)空間和加重?cái)?shù)據(jù)處理負(fù)擔(dān)的缺點(diǎn)，滿足分布式數(shù)據(jù)采集對(duì)同步精度的要求，并且有助于實(shí)現(xiàn)同步裝置的小型化、高穩(wěn)定性，便于維護(hù)與升級(jí)。
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